轎車氣動阻力優(yōu)化CFD研究

熊可嘉，楊 坤

Xiong Kejia Yang Kun

（上海汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804）

0 引 言

汽車空氣動力特性是汽車的重要性能，它對汽車操縱的穩(wěn)定性、安全性和舒適性有十分重要的影響。特別是近年來能源價格不斷上漲，無論是傳統(tǒng)燃油汽車，還是新能源汽車，都面臨著降低阻力的要求。

研究表明，車速在80 km/h時，氣動阻力與滾動阻力幾乎相等；在150 km/h時，氣動阻力相當于滾動阻力的2～3倍[1，2]。因此，改善汽車燃油經(jīng)濟性成為汽車技術(shù)的重要課題。[3]

風洞試驗是研究汽車空氣動力學的傳統(tǒng)方法，但需要高昂的費用，并且難于捕捉流場的細節(jié)。應(yīng)用CFD方法進行外流場分析，可以大幅減少試驗費用，提供豐富、生動的細節(jié)，指導風洞試驗和對汽車的改進。

文中利用CFD手段，對一款自主品牌轎車進行分析和研究，大幅降低了汽車的空氣阻力，提高了產(chǎn)品的性能。

1 計算模型

1.1 汽車外型

對比圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)字模型與實車相比，非常接近，因此，不會因為模型過度簡化而造成計算結(jié)果誤差過大。

1.2 計算域

為了減小邊界條件對計算結(jié)果的影響，采用文獻[4]推薦的計算域大小：9倍車長×6倍車高×6倍車寬。計算域的外型為長方體。

1.3 計算網(wǎng)格

計算采用混合網(wǎng)格。計算主體區(qū)域采用六面體網(wǎng)格，車體表面為三角形網(wǎng)格，近車體壁面附近采用三棱柱作為邊界層網(wǎng)格，車體附近采用四面體網(wǎng)格，四面體與六面體之間采用金字塔形網(wǎng)格過渡。網(wǎng)格總數(shù)1 114萬。

1.4 計算方法

由于絕大多數(shù)汽車的車速均小于400 km/h，即音速的1/3，因此，可以認為空氣是不可壓縮流體。計算使用Fluent軟件，采用雷諾時均方程、k-ε三維紊流模型、SIMPLE算法[5-7]。

1.5 邊界條件

進口采用速度入口邊界條件，風速為100km/h，湍流強度和湍流粘性比分別為1%和10。出口采用壓力出口邊界條件。地面以100 km/h移動，車輪轉(zhuǎn)動。

2 計算結(jié)果與優(yōu)化方法

風洞試驗的結(jié)果表明，CFD的計算誤差在5%左右，說明計算比較準確，能夠反映汽車運行的實際狀態(tài)。

2.1 風阻偏大的原因

經(jīng)過對計算結(jié)果的仔細分析，發(fā)現(xiàn)車體前部是造成風阻偏高的重要因素。

在圖4中可以看到，車底下面有許多部件低于前裙板。在圖5中，車底部件排列不整齊，使得車底凹凸不平。

綜合圖4、圖5和圖6可以看到，前裙板過短，流經(jīng)車身底部的氣流過多，發(fā)動機艙、車身底部部件和前輪很大部分直接暴露在沖擊氣流下，這些部件表面壓力很高，這是導致整車風阻偏高的重要原因。

2.2 降阻措施

（1）在輪胎前部增加擋板（圖7），減少輪胎帶來的風阻，其效果如圖8所示。與圖6相比，擋風板受到的壓力增大，車輪受到的壓力減小，整車的Cd值下降了0.0017。

（2）在前保險杠下部增加擋板（圖9），使氣流繞過發(fā)動機艙和車身底部部件，減少流經(jīng)車身底部的氣流，其效果如圖10所示。與圖6相比，擋風板受到的壓力增大，車底部件受到的壓力減小，車輛的Cd值下降了0.0045。

（3）同時使用車輪擋風板和車底擋風板。由于二者距離較近，其效果不能將二者單獨使用的情況簡單相加。

對采用兩種降阻措施后的情況進行重新計算，結(jié)果如圖11所示。計算結(jié)果表明，整車風阻系數(shù)下降了1%。這說明，擋風板改變了外流場的結(jié)構(gòu)（特別是車底流場的結(jié)構(gòu)），汽車表面的壓力分布得到了優(yōu)化，使整車性能得到了提高，最后的風洞試驗也證明了這一點。

3 結(jié)束語

CFD是汽車外流場研究中一項非常重要的手段。文中利用該手段，對一款自主品牌轎車進行了深入的研究，結(jié)果表明：

（1）車輪是導致該車風阻偏大的重要因素。在其前方增加擋板，可以有效地降低該位置的空氣阻力。

（2）汽車底部由于零部件眾多，往往很不平整，這很容易造成車輛風阻增大。在車底前裙位置，增加擋板，車底外流場會發(fā)生很大改變，合理選擇擋板高度，能夠有效降低整車氣動阻力。

通過CFD技術(shù)，找到了導致風阻偏高的原因，提出了降阻的措施，對各種情況做了大量的虛擬分析，僅用少量的風洞試驗驗證優(yōu)化的效果，從而大大節(jié)省了產(chǎn)品的開發(fā)費用和周期。

［1］傅立敏.汽車空氣動力學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［2］W.H.Hucho,Aerodynamics of Road Vehicles,4th ed.［M］.SAE International,Warrendale,Pennsylvania，1998.

［3］武藤真理.自動車空力學［M］.東京：株式會社三榮書房，2001.

［4］F.T.Makowski,Sung-Eun Kim.Advances in external-aero simulation of ground vehicles using steady RANS equations.SAE Paper 2000-01-0484.

［5］陶文銓.數(shù)值傳熱學（第2版）［M］.西安：西安交通大學出版社，2001.

［6］S.V.Patankar.Numerical heat transfer and fluid flow［M］.McGraw-Hill Book company,1980.

［7］J.D.Anderson.Computational fluid dynamics-The basics with applications［M］.McGraw-Hill Book company,1995.